FR3013854A1

FR3013854A1 - Generateur et procede pour la generation d'impulsions optiques courtes a tres haut contraste temporel.

Info

Publication number: FR3013854A1
Application number: FR1361741A
Authority: FR
Inventors: Nicolas Forget
Original assignee: Fastlite SARL
Current assignee: Fastlite SARL
Priority date: 2013-11-28
Filing date: 2013-11-28
Publication date: 2015-05-29
Also published as: US20170038660A1; EP3074816A1; CN105917273B; CN105917273A; WO2015079181A1; FR3013856A1; FR3013856B1; EP3074816B1; LT3074816T; US9823542B2

Abstract

Générateur d'impulsions optiques courtes à très haut contraste temporel, constitué d'un premier dispositif D1 suivi d'un premier bras B1 et d'un deuxième bras B2 lequel comprend un deuxième dispositif D2, puis un troisième dispositif D3 ; le premier bras B 1 comprend un premier disperseur S1, suivi d'un premier non-linéariseur NL1, puis d'un deuxième disperseur S2, puis d'un deuxième non-linéariseur NL2, puis d'un troisième disperseur S3, puis d'un troisième non-linéariseur NL3, puis d'un quatrième disperseur S4, puis d'un quatrième non-linéariseur NL4.

Description

10 La présente invention concerne un générateur et un procédé pour la génération d'impulsions optiques courtes à très haut contraste temporel. Ce dispositif concerne une architecture de source de lumière pulsée. 15 D'une façon générale, on sait que les sources laser pulsées sont caractérisées par un confinement temporel de l'émission lumineuse. Pour les sources laser ultra-brèves de durées d'impulsion typiquement inférieure à 1012 s, ce confinement n'est que partiel car différents mécanismes physiques contribuent à former une émission de fond dont la durée peut atteindre quelques 10-9 s. 20 Parmi ces mécanismes figurent : l'émission spontanée et l'émission spontanée amplifiée, présente dans tous les amplificateurs laser, la fluorescence paramétrique, présente dans tous les amplificateurs paramétriques optiques, 25 les répliques de l'impulsion principale causées par les réflexions sur les surfaces optiques des milieux transparents traversés, les impulsions parasites ou résiduelles lorsque l'impulsion principale est prélevée sur un train d'impulsion, certains défauts d'amplitude ou de phase spectrale induits par le 30 système d'amplification, le système de transport de faisceau, les traitements diélectriques (couches minces réflectives ou antireflets), ou encore par les défauts de surface des optiques utilisées dans les systèmes spectralement dispersifs (étireur par exemple), les effets non linéaires qui couplent et aggravent les mécanismes précités.

La notion de contraste temporel désigne le rapport d'intensité entre le maximum de l'éclairement lumineux en un point (exprimé en W ou W/cm2) et l'éclairement parasite en ce même point mais à des instants différents. Le contraste se caractérise par différentes valeurs à différents délais par rapport à l'impulsion principale. Par exemple : 104 à -3 ps et 1014 à -100 ps. Le contraste est une caractéristique fondamentale des impulsions courtes ultra-lorsque le faisceau optique est focalisé, à interagir et à modifier de manière substantielle les caractéristiques de la matière. Un faible contraste au temps négatifs (c'est-à-dire avant l'impulsion) est ainsi particulièrement dommageable pour les expériences d'interaction lumière-matière car l'état de la matière est modifié avant même que l'impulsion principale n'interagisse avec celle-ci.

Le but de l'invention est de proposer un amplificateur paramétrique optique à dérive de fréquence synchronisé optiquement, incluant un étage de différence de fréquence, un étage de conversion, un étage de mise en forme, un étage d'amplification paramétrique et un étage final de génération de seconde harmonique.

L'architecture proposée combine la technique d'amplification paramétrique optique à dérive de fréquence, une différence de fréquence et une génération de seconde harmonique finale.

On sait que l'amplification paramétrique optique permet, dans certaines conditions, d'accroître l'énergie d'impulsions optiques dont le spectre est particulièrement large (typiquement plusieurs centaines de cm 1). Le mécanisme d'amplification repose sur un transfert d'énergie entre une onde auxiliaire énergétique (habituellement appelée onde de pompe, de pulsation optique cor) et l'impulsion que l'on souhaite amplifier (habituellement appelée onde signal, de pulsation cos< (op). Cette amplification s'accompagne de la génération d'une onde complémentaire dont la fréquence optique est égale à la différence entre les fréquences des deux ondes précédentes (pulsation optique coi cop - cos). A l'inverse des milieux laser, l'amplification paramétrique optique est un phénomène instantané et le gain paramétrique n'est présent que lorsque l'éclairement optique de l'impulsion auxiliaire est suffisamment élevé. Lorsque l'onde de pompe est une impulsion, l'amplification paramétrique et la génération complémentaire sont confinées au voisinage de l'onde de pompe. Lorsque la technique d'amplification paramétrique est appliquée à des impulsions à dérive de fréquence, il est possible d'accroître de plusieurs ordres de grandeur, typiquement plus de cinq ordres de grandeur, l'énergie d'impulsions courtes. L'application principale de cette architecture est la génération d'impulsions optiques de durée inférieure à 50 femto-secondes à très haut contraste 20 temporel. L'invention a pour objet un générateur d'impulsions optiques courtes à très haut contraste temporel, comprenant : un premier dispositif pour délivrer une ou plusieurs impulsions courtes à 25 une longueur d'onde Xi, lesquelles sont amplifiées puis séparées et réparties suivant un premier bras et un deuxième bras, ledit premier bras contenant un premier disperseur (système optique dispersif), lequel introduit un retard optique et un allongement de la durée desdites impulsions optiques courtes, 30 ledit deuxième bras contenant un deuxième dispositif pour décaler la longueur d'onde initiale à une longueur d'onde 2^,2, puis un troisième -4 dispositif pour amplifier et contrôler l'énergie, la durée et l'instant d'arrivée d'une des impulsions issues dudit deuxième dispositif, un premier non-linéariseur (dispositif optique non linéaire) placé en aval dudit premier disperseur pour combiner l'une des impulsions issues dudit premier bras avec une fraction de l'impulsion issue dudit deuxième bras, lequel premier non-linéariseur génère une impulsion à la longueur d'onde X3, par génération de différence de fréquence, l'impulsion aux longueurs d'onde II et 12 étant bloquée par ledit premier non-linéariseur, un deuxième disperseur placé en aval dudit premier non-linéariseur pour amener à sa durée minimale la durée de l'impulsion à la longueur d'onde 13, un deuxième non-linéariseur placé en aval dudit deuxième disperseur, pour générer une impulsion à la longueur d'onde X4, l'impulsion à la longueur d'onde X3 étant bloquée par le deuxième non-linéariseur, un troisième disperseur placé en aval du deuxième non-linéariseur, pour recevoir l'impulsion à la longueur d'onde 14 et pour contrôler le spectre, la phase spectrale et la phase absolue de l'impulsion à la longueur d' onde X4, un troisième non-linéariseur pour recombiner l'impulsion issue dudit troisième disperseur à la longueur d'onde X4 avec le résiduel de l'impulsion à la longueur d'onde X2, qui, par amplification paramétrique optique, accroît l'énergie de l'impulsion à la longueur d'onde X4, un quatrième disperseur pour amener à sa durée minimale la durée de l'impulsion issue dudit troisième non-linéariseur, à la longueur d'onde 2\4, un quatrième non-linéariseur pour convertir l'impulsion à la longueur d'onde 24 en une impulsion de longueur d'onde X5.

Avantageusement, ledit troisième dispositif permet également de bloquer périodiquement l'impulsion à la longueur d'onde X2 afin de réduire la cadence dudit premier bras.

Avantageusement, ledit troisième non-linéariseur comprend une génération de seconde harmonique. Avantageusement, ledit troisième disperseur comprend un filtre dispersif acousto-optique programmable.

Avantageusement, les longueurs d'onde autres que X4 sont bloquées par ledit troisième non-linéariseur. Préférablement, ledit troisième non-linéariseur comprend plusieurs sous-étages d'amplification paramétrique.

Avantageusement, ledit quatrième non-linéariseur est un générateur de seconde harmonique. Avantageusement, l'invention permettra de garantir un contraste élevé voire absolu car il n'y aura aucune émission à X3 et X4 après le second dispositif non linéaire en l'absence d'impulsion à la longueur d'onde X2 (pas de DFG sans pompe). Plus précisément, si la durée de l'impulsion (durée à mi-hauteur) à la longueur d'onde X2 sera notée T, les premier et deuxième non- linéariseurs agiront comme une porte temporelle de la forme [-3T,+3T] et de contraste infini. Enfin, le quatrième non linéairiseur permettra d'éliminer tout résiduel de fluorescence paramétrique dans le troisième non-linéairiseur et permettra d'améliorer le profil temporel de l'impulsion et d'atténuer notablement les imperfections spectrales. Si la longueur d'onde finale X5 est en outre différente de X1, X2, X3 et X4 l'impulsion à X5 ne pourra contenir trace d'éventuelles réflexions ou diffusions sur les dernières optiques.

Avantageusement, l'invention comprendra des moyens pour : garantir une synchronisation stable entre les impulsions à Xi et X3 ainsi qu'une relation de phase stable entre ces impulsions, stabiliser passivement et/ou activement la phase absolue de l'impulsion aux longueurs d'onde X3, X4 et X5, garantir une compression optimale avant le quatrième non- linéairiseur. Le troisième disperseur permettra en effet d'ajuster la phase spectrale, ajuster la largeur spectrale des impulsions à X4 au moyen du troisième disperseur et en conséquence adapter la durée des impulsions à X5, transformer, toujours au moyen du troisième disperseur, la source en une source de faible largeur spectrale mais accordable, fonctionner à différentes cadences, et/ou ne pas inclure de dispositif(s) électro-optique(s) sur le premier bras. Un mode de mise en oeuvre d'un dispositif selon l'invention est décrit ci-après, 15 à titre d'exemple non limitatif, avec référence aux dessins annexés dans lesquels : La figure 1 est une représentation schématique de la structure d'un dispositif selon l'invention ; 20 La figure 2 est une représentation schématique de la structure du dispositif selon une première variante ; La figure 3 est une représentation schématique de la structure du 25 dispositif selon une seconde variante ; et La figure 4 est une représentation schématique de la structure du dispositif selon une troisième variante. 30 Dans l'exemple représenté sur la figure 1, le dispositif selon l'invention comprend : un dispositif Dl délivrant une ou plusieurs impulsions courtes à une longueur d'onde X. Ces impulsions sont éventuellement amplifiées puis séparées et réparties suivant deux bras, ci-nommés bras let bras 2, le bras 1 ne modifie pas nécessairement la durée d'impulsion mais, préférablement, un retard optique sera introduit et la durée d'impulsion sera allongée au moyen d'un système optique dispersif Si, le bras 2 comprend un dispositif D2 permettant de décaler la longueur d'onde initiale à une longueur d'onde X2, le bras 2 contient un dispositif D3 permettant d'amplifier et de contrôler l'énergie, la durée et l'instant d'arrivée d'une des impulsions issues de D2. Le dispositif D3 permet également de bloquer périodiquement l'impulsion pour réduire la cadence des dispositifs Dl et D2, l'une des impulsions issues du bras 1 est recombinée avec une fraction de l'impulsion issue du bras 2 dans un dispositif, noté NL1, qui, par génération de différence de fréquence, génère une impulsion à la longueur d'onde X3. Les impulsions aux longueurs d'onde Xi et 22 sont bloquées par NL1, l'impulsion issue de NL1 à la longueur d'onde a,3 est dirigée vers un deuxième disperseur, noté S2, pour amener à sa durée minimale la durée de l'impulsion à la longueur d'onde a 3, un deuxième non-linéariseur, noté NL2, placé en aval du deuxième disperseur S2, génère une impulsion à la longueur d'onde 24. L'impulsion à la longueur d'onde X3 est bloquée par le deuxième nonlinéariseur. Préférablement, le deuxième non-linéariseur NL2 comprend une génération de seconde harmonique, un troisième disperseur, noté S3, placé en aval du deuxième nonlinéariseur NL2, reçoit l'impulsion à la longueur d'onde X4 et permet de contrôler le spectre, la phase spectrale et la phase absolue de l'impulsion à la longueur d'onde X4. Préférablement, S3 comprend un filtre dispersif acousto-optique programmable, -8 l'impulsion issue de S3 à la longueur d'onde 21,4 est recombinée avec le résiduel de l'impulsion à la longueur d'onde X2 issue du dispositif D3, dans un non-linéariseur, noté NL3, qui, par amplification paramétrique optique, accroît l'énergie de l'impulsion à la longueur d'onde 21,4. Les longueurs d'onde autres que X4 sont bloquées par NL3. Préférablement, NL3 comprend plusieurs sous-étages d'amplification paramétrique, la durée de l'impulsion issue de NL3 à la longueur d'onde 14 est amenée à sa durée minimale au moyen d'un disperseur S4, un dispositif, noté NL4, convertit l'impulsion à la longueur d'onde X4 en une impulsion de longueur d'onde X5. Avantageusement, NL4 sera une génération de seconde harmonique. Dans l'exemple représenté sur la figure 2, le dispositif selon l'invention comprend, en addition à celui décrit selon la figure 1, une liaison entre le 15 troisième dispositif D3 et le troisième dispositif non linéaire NL3. Par ailleurs, en remplacement d'une génération de seconde harmonique, l'utilisation d'une somme de fréquence avec X2 rend le processus de conversion plus efficace mais le contrôle de la phase absolue devient 20 impossible et le contraste est moindre. Dans l'exemple représenté sur la figure 3, le dispositif selon l'invention comprend, en addition à celui décrit selon la figure 1, un dispositif d'amplification laser supplémentaire, noté D4, mis en place en aval du 25 dispositif D3 dans le bras B2, pour augmenter l'énergie de l'impulsion à la longueur d'onde X2 avant recombinaison avec le dispositif non linéaire NL3. Dans l'exemple représenté sur la figure 4, le dispositif selon l'invention comprend, en addition à celui décrit selon la figure 1, une liaison entre le 30 troisième dispositif D3 et le quatrième dispositif non linéaire NL4.

En remplacement d'une génération de seconde harmonique, l'utilisation d'une somme de fréquence avec X2 rend le processus de conversion plus efficace mais le contrôle de la phase absolue devient impossible.

La meilleure manière de réaliser l'invention est de considérer : que X1=1530 nm, X2=1030 nm, et k3=3160 nm, que D1 soit un oscillateur femto-seconde fibré à base d'Erbium, émettant à 1530 nm des impulsions de durées inférieures à 40 fs, que le bras 1 contienne une ligne à retard programmable, que S1 soit constitué d'un ou plusieurs matériaux massifs tel que du Silicium, que D2 contienne une fibre non linéaire permettant de générer un super continuum couvrant au moins la plage 1000-1600 nm, un filtre spectral fibré sélectionnant la bande spectrale 1020-1040 nm et éventuellement, un ou plusieurs amplificateurs laser fibrés à base d'Ytterbium, que D3 soit un amplificateur laser à dérive de fréquence basé sur des ions Ytterbium, lequel amplifie les impulsions autour de 1025-1040 nm jusqu'à un niveau d'énergie de l'ordre de lmJ, que D4 soit un amplificateur laser à dérive de fréquence basé sur des ions Ytterbium, que NL1 soit un cristal non linéaire retourné périodiquement de type MgO :PPLN conçu pour une différence de fréquence 1030 nm->1530 nm+3160 nm et que des miroirs dichroïques et/ou un filtre en Germanium soient placés à la sortie de NL1, que NL2 soit un cristal retourné périodiquement de type MgO :PPLN ou AGS conçu pour une génération de seconde harmonique 3160nm+3160nm->1580nm, et que le signal à 3160 mn soit bloqué par des miroirs dichroïques et/ou une lame de Silice, que S2 soit constitué d'un ou plusieurs matériaux massifs tels que du Silicium, que S3 contienne un filtre dispersif acousto-optique programmable, -10- que NL3 contienne deux étages d'amplification paramétrique optique utilisant des cristaux retourné périodiquement de type MgO :PPLN conçu pour une amplification paramétrique de type 1030 nm->1580 nm+2960 nm, que S4 soit un constitué d'un ou plusieurs matériaux massifs, et que NL4 soit un cristal non linéaire de BBO taillé pour la génération de seconde harmonique de type 1580 nm+1580 nm->790 nm et que la longueur d'onde à 790 nm soit sélectionnée par un jeu de miroirs dichroïques et/ou un filtre coloré de type Schott BG39.10

Claims

REVENDICATIONS1. Générateur d'impulsions optiques courtes à très haut contraste temporel, caractérisé en ce qu'il comprend : un premier dispositif (D1) pour délivrer une ou plusieurs impulsions courtes à une longueur d'onde 11, lesquelles sont amplifiées puis séparées et réparties suivant un premier bras (B1) et un deuxième bras (B2), ledit premier bras (B1) contenant un premier disperseur (S1) lequel introduit un retard optique et un allongement de la durée desdites impulsions optiques courtes, ledit deuxième bras (B2) contenant un deuxième dispositif (D2) pour décaler la longueur d'onde initiale à une longueur d'onde X2, puis un troisième dispositif (D3) pour amplifier et contrôler l'énergie, la durée et l'instant d'arrivée d'une des impulsions issues dudit deuxième dispositif (D2), un premier non-linéariseur (NL1) placé en aval dudit premier disperseur (S1) pour combiner l'une des impulsions issues dudit premier bras (B1) avec une fraction de l'impulsion issue dudit deuxième bras (B2), et générer une impulsion à la longueur d'onde 13, par génération de différence de fréquence, l'impulsion aux longueurs d'onde 11 et 12 étant bloquée par ledit premier non-linéariseur (NL1), un deuxième disperseur (S2) pour amener à sa durée minimale la durée de l'impulsion issue du premier non-linéariseur (NL1), à la longueur d' onde X3, un deuxième non-linéariseur (NL2) placé en aval dudit deuxième disperseur (S2), pour générer une impulsion à la longueur d'onde 14, l'impulsion à la longueur d'onde X3 étant bloquée par le deuxième non- linéariseur (NL2),-12- un troisième disperseur (S3), placé en aval du deuxième non-linéariseur (NL2), pour recevoir l'impulsion à la longueur d'onde 14 et pour contrôler le spectre, la phase spectrale et la phase absolue de l'impulsion à la longueur d'onde X4, un troisième non-linéariseur (NL3) pour recombiner l'impulsion issue dudit troisième disperseur (S3) à la longueur d'onde X4 avec le résiduel de l'impulsion à la longueur d'onde X2, qui, par amplification paramétrique optique, accroît l'énergie de l'impulsion à la longueur d' onde X4, un quatrième disperseur (S4) pour amener à sa durée minimale la durée de l'impulsion issue dudit troisième non-linéariseur (NL3), à la longueur d' onde X4, un quatrième non-linéariseur (NL4) pour convertir l'impulsion à la longueur d'onde X4 en une impulsion de longueur d'onde X5.
2. Générateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le troisième dispositif (D3) comprend des moyens pour bloquer périodiquement l'impulsion à la longueur d'onde X2 afin de réduire la cadence dudit premier bras (B1).
3. Générateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le troisième non-linéariseur (NL3) comprend une génération de seconde harmonique.
4. Générateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le troisième disperseur (S3) comprend un filtre dispersif acousto-optique programmable.
5. Générateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le troisième non-linéariseur (NL3) comprend plusieurs sous-étages d'amplification paramétrique.- 13 -
6. Générateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le quatrième non-linéariseur (NL4) est une génération de seconde harmonique.
7. Procédé pour la génération d'impulsions optiques courtes à très haut contraste temporel, caractérisé en ce qu'il comprend une amplification paramétrique optique à dérive de fréquence synchronisé optiquement avec un laser de pompe, incluant un étage de différence de fréquence, un étage de conversion, un étage de mise en forme, un étage d'amplification paramétrique et un étage final de génération de seconde harmonique.